基于云模型的高校实验室安全管理标准化研究

于振江，邵泽开，胡 洁，补利军，卞昊雯

（1.中国人民大学保卫处，北京 100872；2.中国矿业大学（北京）保卫处，北京 100083）

0 引言

实验室安全是高校实验室建设和管理的重要组成部分，直接关系到学校实验教学和科研能否顺利开展、学校财产能否免受损失、师生员工人身安全能否得到保障，对高校乃至全社会的稳定至关重要［1］。近年来，高校实验室火灾、爆炸等安全事故频发，令人反省。2018 年12 月26 日北京交通大学环境工程实验室内进行垃圾渗滤液污水处理科研试验时发生爆炸引发火灾，造成3 人死亡，直接暴露出实验室安全管理制度不完善、执行制度不严格、安全防范意识淡薄、应急处置能力不强等问题［2-5］。

实验室安全管理是一项系统工程，涉及面广，管理难度大，综合性强。为降低高校实验室安全管理风险，将标准化管理方法引入实验室安全管理，拟进一步提高高校实验室安全管理水平。

为加强高校实验室的建设和管理，教育部先后颁布了《高等学校实验室工作规程》及《高等学校实验室安全检查项目表》进一步指导高校实验室安全管理工作。国内众多学者对实验室安全管理标准化进行了研究。蔡谦、陈日辉［6］使用灰色聚类法，对实验室进行综合评估，归纳为实验室条件、管理、效益和实验室特色4 个聚类指标，并明确优秀、良好、合格和不合格4个级别的聚类灰类。陈晶晶［7］借助安全检查表法编制了全面的适用于高校学术和研究环境的实验室安全管理评价指标体系。该体系从高校实验室日常管理的7 各方面出发，包含7 个1 级指标，24 个2 级指标和83个3 级指标。姜慧敏［8］认为实验室安全管理体系主要涉及组织机构、监督管理、运行保障等3 个体系，必须齐抓共管，相互协调，共同促进。以上文献中关于高校实验室安全管理标准化体系仍未健全，须进一步完善高校实验室安全管理标准化体系。

目前评价类数学模型主要包括层次分析法、灰色综合评价法、模糊综合评价法、BP神经网络综合评价法等，以上方法均属于定性与定量相结合的多准则决策、评价方法，一定程度上掩盖了定性指标的模糊性，直接导致评价结果主观性强［9-10］。而用云模型描述评价中语言变量可将定性概念转化为定量的数学模型，进一步降低主观因素对评估结果的影响，因此本文采用云模型对高校实验室安全管理标准化进行评估研究［11］。

1 云模型

1.1 云模型

1995年中国科学院院士李德毅［12］首次提出了云模型，利用该模型可实现定性概念、定量数据的可逆转化，并在特定条件下形成某种映射关系，为解决更复杂的决策问题提供新的方法。

该模型中假定U为一论域，C 为该论域的定性概念。x是定性概念C映射到论域空间U 上的一个点，表示C中可能实现若干种情况之一，定性概念C 映射到论域空间U 的映射可以用隶属度函数μ（x）表示，且μ（x）∈［0，1］。每个点x 都是一个随机分布的云滴，大量云滴积聚组成了定性概念C 的云，直观反映出C的不确定性［13］。

1.2 云的数学模型及基本运算

目前云理论的分布形态主要包括三角形云、矩形云、梯形云和正态云等，由于客观世界中大量随机现象均近似服从正态分布，因此本文采用正态云分布模型进行研究分析［14］。正态云模型可以用C（Ex，En，He）表示，其中期望Ex表示模糊概念C 在论域U 上的数值；熵En表示定性概念C 不确定性程度的度量，随机性和模糊性与熵成正比例关系。超熵He表示熵的不确性度量，主要用来反映云的离散程度和云厚度，云的离散程度和云厚度随着超熵增大而增大。

同一个论域U 中的云C1（Ex1，En1，He1），C2（Ex2，En2，He2）可进行运算，运算法则详见表1。

表1 云的运算法则

1.3 正向云发生器

云发生器是云模型的计算方法，主要包括正向和逆向云发生器以及X 和Y 云发生器等，将定性概念、定量数据相互转换。现采用正向云发生器，其可将定性概念C中可实现的各种可能性转化成定量数据，明确数据范围并根据隶属度函数确定分布规律。假定云数字特征（Ex，En，He），根据正向云发生器利用Matlab软件绘制定性概念的正态分布云图，如图1 所示。

图1 正态分布云图

2 高校实验室安全管理标准化体系

2.1 高校实验室安全管理标准化体系指标

借鉴国家规范及相关文献［15-17］，将高校实验室安全管理标准化体系分为2 级，1 级指标主要包括责任体系、规章制度、安全文化、安全检查、实验场所、安全设施、基础安全、化学安全、生物安全、辐射安全、机电等安全、特种设备与常规冷热设备等12 个核心技术要求。1 级指标又细化为52 个2 级指标，其中责任体系包括：学校层面安全责任体系、院系层面安全责任体系、经费保障、队伍建设、其他；规章制度包括实验室安全标准、学校实验室安全管理制度、院系实验室安全管理制度；安全文化包括：安全宣传教育、安全演练；安全检查包括：危险源辨识、安全检查、安全隐患整改、安全报告；实验场所包括：场所环境、卫生与日常管理、场所其他安全；安全设施包括：消防设施、应急喷淋与洗眼装置、通风系统、门禁监控、实验室防爆；基础安全包括：用电用水基础安全、个人防护、其他；化学安全包括：危险化学品采购、验收、发放、实验室化学试剂存放、实验操作安全、管控类化学品管理、实验气体管理、化学废弃物处置管理、危化品仓库与废弃物中转站、其他化学安全；生物安全包括：实验室资质、场所与设施、病原微生物采购与保管、人员管理、操作与管理、实验动物安全、生物实验废物处置；辐射安全包括：实验室资质与人员要求、场所设施与采购运输、放射性实验安全及废弃物处置；机电等安全包括：仪器设备常规管理、机械安全、电气安全、激光安全、粉尘安全；特种设备与常规冷热设备包括：起重类设备、压力容器、校内专用机动车辆、加热及制冷装置管理等，如图2 所示。

图2 高校实验室安全管理标准化体系

2.2 实验室安全管理标准化体系分级

《冶金等工贸企业安全生产标准化基本规范评分细则》将大于60 分的标准化水平分成1～3 级，但未对60 分以下的标准化水平进行分级。文献［5］将实验室分为优秀、良好、合格和不合格4 个级别的聚类灰类。

本文采用云模型对高校实验室安全管理标准化进行分级，考虑到云模型根据黄金分割率将分割为奇数个云，将高校实验室安全管理标准化程度分为5 级，并明确了不同安全管理标准化等级特征，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级可满足实验室安全管理要求，Ⅳ、Ⅴ级需学校进行整改，详见表2。

表2 风险分级量化和特种描述

3 基于云理论的高校实验室安全管理标准化水平评估

3.1 构建指标等级的权重云模型、评价云模型

设中间云为C0（Ex0，En0，He0），其左右两侧相邻的云分别为C－1（Ex－1，En－1，He－1），C＋1（Ex＋1，En＋1，He＋1），C－2（Ex－2，En－2，He－2），C＋2（Ex＋2，En＋2，He＋2）。各云的数字特征算法如下：

定义论域U 为［0，1］，He0为常数，令He0＝0.005［18］，本文根据指标在安全管理标准化体系结构中的重要程度，划分为“极重要”“较重要”“一般”“次重要”“不重要”5 个语言值，根据式（1）～（10）将权重云分为5 个云模型，详见表3。

表3 指标评价语言及权重云

高校实验室安全管理标准化水平越低，安全管理风险越大，反之亦然。根据风险可接受程度可设置“风险不可接受”“风险难接受”“风险可接受”“风险可允许”“风险可忽略”5 个语言值，根据式（1）～（10）

计算各个评价语言值的评价云模型，详见表4。

表4 风险语言评价及评价云

3.2 综合评判

根据图2、表1 及评价语言值确定最底层指标评价云模型，计算如下：

式中：aj为最底层第j个子指标的评价云模型；νj为最底层第j个子指标的语言评价云模型；wj为最底层第j个子指标的权重云模型。

依据aj计算结果，采用加权平均法得出综合评判云模型结果集Ai＝（a1，a2，…，ak），其中ak为第i 层中第k个指标的云模型，计算如下：

式中：akj为第i层中第k个指标的第j个子指标的语言评价云模型；Wkj为第i 层中第k 个指标的第j 个子指标的权重云模型。

4 实例应用

根据图1 制定高校实验室安全管理标准化评价表，采用云理论的计算方法对该校实验室安全管理标准化水平进行评价。

本次评价邀请多名实验室安全管理专家组成评价小组，确定各个子指标的权重云和评价云，然后利用式（11）计算子指标的评价云模型。以1 级指标以责任体系为例，其评价结果云模型为（0.737，0.061，0.008），相应计算结果如表5 所示。同理可求得其他指标的云及其数字特征，计算结果如表6 所示。

表5 高校实验室安全管理标准化—责任体系评价结果

表6 高校实验室安全管理标准化评价结果

依据式（12）计算出该校实验室安全管理标准化评价结果云模型为（0.676，0.036，0.005），将云模型输入到评价结果图中，可得出实验室安全管理标准化等级介于Ⅱ级与Ⅲ级之间，且靠近Ⅱ级，如图3 所示，整体造成的安全管理风险可接受，需加强重点指标标准化管理。

图3 高校实验室安全管理标准化评价结果云图

5 结语

（1）国家规范未明确高校实验室安全管理标准化评价方法，考虑到传统的半定量及定量评价方法主观性较强且未能体现定性指标的模糊性，提出基于云模型的高校实验室安全管理标准化评价模型，该模型很好地兼顾了实验室安全管理标准化评价的模糊性和随机性特点，对高校实验室安全管理进行全面考虑，评价结果更可信可靠。

（2）高校实验室安全管理标准化体系由12 个1级指标，52 个2 级指标构成，12 个1 级指标分别为责任体系、规章制度、安全文化、安全检查、实验场所、安全设施、基础安全、化学安全、生物安全、辐射安全、机电等安全、特种设备与常规冷热设备。

（3）高校实验室安全管理标准化可划为5 个级别，并明确不同实验室安全管理标准化等级特征。

（4）高校实验室安全管理标准化体系中责任体系、规章制度、化学安全极重要，特种设备与常规冷热设备次重要。高校实验室安全管理部门可参考本评价体系数据，合理安排资源，提高高校实验室安全管理水平。